粗粒筑坝材料密实度的缩尺效应研究

 针对已有研究成果忽视密实度缩尺效应对粗粒筑坝料力学性质影响的问题,根据双江口300 m级土石坝堆石料的原平均设计级配曲线,采用4种不同缩尺方法得到室内干密度极值试验成果,利用粗粒筑坝材料的级配设计母线--Talbot曲线,引入分形几何理论,选取对级配性质较为敏感的Talbot公式的指数n以及反映颗粒形状与粗糙度的因子作为分形指标,解译粗粒料密实度出现缩尺效应的内在原因,为粗粒料级配构成对密实度影响的量化评价提供依据,克服以往只能利用不均匀系数和曲率系数进行模糊评价的缺点。利用PFC2D软件,结合混合法各缩尺比级配进行干密度极值数值试验,研究缩尺效应对粗粒料的相对密度、孔隙率的影响规律,并分析引起其差异的细观机制。     

缩尺效应对铁路道砟力学特性影响的试验研究

为了研究颗粒级配、缩尺效应对道砟强度及变形特性的影响,采用石英岩标准铁路道砟开展了一系列基于1/4缩尺及全尺寸道砟的三轴剪切试验。试验结果表明:缩尺道砟的峰值强度均较全尺寸道砟的峰值强度低,缩尺对窄级配道砟的峰值强度影响甚小,而使宽级配道砟的峰值强度降低明显,缩尺效应造成的峰值强度降幅最高达10%;道砟的强度指标c,?值受颗粒级配影响较大,而缩尺效应对其影响并不显著。全尺寸与缩尺道砟的体积应变特性差异较小,缩尺道砟的变形模量小于全尺寸道砟,颗粒级配对道砟变形模量的影响不大;在工程设计中采用缩尺道砟的强度和变形参数将有利于安全。     

粗粒料的变形特性和缩尺效应

粗粒料的变形特性和缩尺效应王继庄（昆明水电勘测设计院，６５００５１）１前言随着粗粒料测试技术水平的日益提高，粗粒料（如碎石料、砂砾料、石碴料、砾质土、风化料等）作为筑坝材料的优越性日益被人们认识和应用。６０年代初，粗粒料作为高土石坝的筑坝材料已成功地...     

钙质结核含量对钙质结核土压缩性缩尺效应影响研究

钙质结核土的大尺寸试样和缩尺试样在压缩性等物理力学性质上存在缩尺效应,其主要受土体中钙质结核含量和级配组成的影响。然而,现有研究关注更多的是土体的级配组成对缩尺效应的影响,而忽略了钙质结核含量的影响效果。为此探讨了钙质结核含量对钙质结核土压缩性缩尺效应的影响行为,并揭示了其作用机理。研究结果表明：土体压缩性缩尺效应与钙质结核含量之间呈现阶梯曲线的关系,主要归因于在相同的钙质结核含量下,缩尺试样中的钙质结核更容易形成骨架效应。基于此,提出了一种考虑钙质结核骨架效应的土样屈服应力和压缩指数的计算模型,以减少试样的缩尺效应的影响。该计算模型可为利用缩尺试样压缩试验结果来获得大尺寸样压缩性参数提供新途径,经验证,计算结果可靠。     

基于超大型三轴仪的堆石料缩尺效应研究

对某一爆破筑坝堆石料开展了试样直径1m(最大粒径为200mm)的超大型和试样直径0.3m(最大粒径为60 mm)的常规大型三轴固结排水剪切试验,研究了平行相似级配条件下最大粒径对应力–应变关系、颗粒破碎、特征应力状态、割线模量及邓肯张E-B模型参数的影响。试验结果表明:(1)大型三轴试验的峰值内摩擦角大于超大型三轴试验,并且峰值应力处的轴向应变小于超大型三轴试验;(2)大型三轴试验的相变应力比大于超大型三轴试验,并且相变处的体变及轴向应变均小于超大型三轴试验;(3)大型三轴试验的颗粒破碎率小于超大型三轴试验,但二者平行粒组的变化规律相同;(4)大型三轴试验在应力水平50%处的割线弹性模量及割线体积模量均大于超大型三轴试验。大型三轴试验的邓肯张E-B模型参数k,kb分别是超大型三轴试验的1.22倍、1.38倍。研究成果可为建立考虑缩尺效应的堆石料本构模型和分析土工构筑物变形提供重要的试验依据。     

先期振动对筑坝材料变形特性的影响

通过大型振动三轴试验研究了先期振动荷载对高土石坝筑坝材料抵抗地震变形能力的影响,研究结果表明:经受过先期动应力作用的土石料,再次经受动应力作用时,其抵抗变形的能力明显提高,这是由于在初始动应力作用下,土石料颗粒破碎及试样内部重定向排列大部分已经完成,再次经受动应力作用时,土石料颗粒破碎的程度将降低,试样内部重定向排列的难度将加大,从而使得其变形量减小,抵抗变形的能力提高。抵抗变形的能力提高的幅值与土石料本身的性质、再次经受的动应力与先期动应力的比值,即先期动应力和再次经受的动应力大小有关。根据试验结果建立了先期振动对粗粒料变形能力影响的一般表达式,该表达式表明:先期振动对粗粒料抵抗变形能力的影响仅与k值有关,k反映了粗粒料对先期振动作用的敏感度,表示粗粒料经先期动应力作用后,在再次经受动应力作用时,粗粒料内部重定向排列和颗粒破碎的难易度,k值越小,粗粒料对先期振动的敏感性越大,反之则越小,k值大小与粗粒料本身的矿物组成有关,而与其自身的岩性、颗粒形状、级配、密度等没有关系。     

球应力和偏应力对粗粒土变形影响的真三轴试验研究

为了研究p,q,θσ单独变化对粗粒土变形的影响,使用河海大学TSW-40型真三轴仪,对粗粒土进行了等q等b(b=(σ2-σ3)/(σ1-σ3))试验,等p等b试验和等p等q试验,试验结果表明:q,b保持不变,p单独减小时,初期几乎不产生偏应变,但会产生膨胀的体积应变,随着p的减小,体积膨胀增大,偏应变也逐渐增大,但偏应变数值上比体积应变小,到后期体积应变和偏应变都加速发展,直至破坏;p的减小直接引起体积膨胀,体积膨胀后颗粒结构松动,进而导致偏应变的产生;p,b保持不变,q单独增大时,初期几乎不产生体积膨胀,但会产生偏应变,随着q的增大,偏应变增大,体积膨胀也逐渐增大,但体积应变数值上比偏应变小,到后期体积应变和偏应变都加速发展,直至破坏;q的增大直接产生偏应变,偏应变使得颗粒之间产生错动,进而导致体积膨胀的产生;p,q保持不变,应力罗德角θσ单独变化会产生不可恢复的体积应变和偏应变,但数值上很小。引入参数sp(sp=(p/q-p0/q0)/(1/Mf-p0/q0))和sq(sp=(q/p-q0/p0)/(Mf-q0/p0)),p0,q0分别为初始球应力和偏应力,Mf为破坏应力比,发现q,b保持不变,p单独减小时,dεv/dp与1/(1-sp)1/2-1成正比例关系,dεs/dp与-sp[1/(1-sp)1/2-1]成正比例关系,应力–剪胀方程为dεv/dεs=-1/sp;p,b保持不变,q单独增大时,dεs/dq与1/(1-sq)1/2-1成正比例关系,dεv/dq与-sq[1/(1-sq)1/2-1]成正比例关系,应力–剪胀方程为dεv/dεs=-sq。最后根据本文试验结果对粗粒土柔度矩阵元素的特性进行了分析。     

初始干密度对非饱和土变形及强度影响的试验研究

通过压力板仪测定并对比分析了不同初始干密度下粉质黏土的土水特征曲线;使用GDS非饱和土三轴仪,进行了不同初始干密度、不同基质吸力下非饱和粉质黏土的强度试验。结果表明:van Genuchten模型可以较好拟合不同初始干密度粉质黏土土水特征曲线;试样进气值与初始干密度呈正相关,持水能力和水稳定性随初始干密度的增大逐渐增大;相同初始干密度的非饱和粉质黏土强度随基质吸力的增大而增大,随着基质吸力的增大,基质吸力对试样抗剪强度的贡献值逐渐变小。不同初始干密度的试样体积变化均随着基质吸力的增大而减小,且初始干密度越大,不同基质吸力试样体变越接近一致。重塑非饱和粉质黏土的应力-应变关系可以用双曲线模型来描述,试样切线模量随基质吸力的增大而增大。     

海岸带强风化花岗岩强度及应力应变特性的尺寸效应研究

近年来,随着我国海洋经济的快速发展,越来越多的工程建设涉及到海洋地质。在海洋工程建设的前期勘察中,首要任务是精确测定各土层的强度参数。为探讨不同试样尺寸对海洋土体的强度及应力应变特性的影响,针对福建平潭综合试验区某海岸的强风化花岗岩,开展了试样直径分别为39.1mm、61.8mm和101mm的常规三轴固结不排水剪切试验,研究了强风化花岗岩应力—应变以及强度特性的尺寸效应。研究表明:对于三轴固结不排水剪切试验,强风化花岗岩剪应力峰值强度随试样直径增大而减小;其抗剪强度指标也随着试样直径的增大而减小;试样尺寸效应客观存在于三轴试验,实际工程的土工试验应注意选择合适的试样尺寸。     

预制桩挤土效应对桩基础沉降变形影响案例及分析

通过相同条件下,不同桩距建筑物沉降变形的监测,得出挤土桩沉降变形随桩距减小而增大的结论;分析挤土桩沉降变形规律和非挤土桩的不同,即沉降变形和附加应力非完全对应的关系;给出挤土效应引起的桩基质量问题,应用非挤土效应的桩进行处理的建议,这对于事故处理及防止类似事故发生是非常必要的。     

堆石料剪切强度与变形的尺寸效应模拟

堆石料尺寸效应的研究对准确预测土石坝的强度与变形至关重要。但是受室内试验条件的限制,能反映原型足尺级配料试样特征的三轴试验难以开展。通过对10~40 mm粒径范围内的古水玄武岩颗粒进行单粒强度试验,分析了单粒强度的尺寸效应,采用离散元方法对室内三轴试验的强度和变形进行模拟,结果表明采用的模拟方法可以很好地重现室内缩尺级配料的特性。运用相似级配法将模拟的缩尺级配扩展到原型足尺级配料级配,对原型足尺级配料试样的偏应力、体变和轴向应变关系进行模拟预测,同时整理了不同尺寸试样的强度参数。研究成果为由室内缩尺试验参数推演原型足尺级配料试样的强度及变形参数提供了一种可能。     

考虑堆石料软化特性的坝坡动力稳定和滑移变形分析

对10组已建或拟建工程堆石料低围压下三轴固结排水剪的试验数据进行分析整理,得到相应的峰值强度和残余强度,并拟合出考虑堆石料软化的归一化残余强度曲线。在此基础上,采用有限元动力稳定和滑移分析方法分别进行考虑和不考虑堆石料软化的稳定计算,并对计算结果进行讨论。结果表明:在低围压条件下,堆石料发生应变软化现象,整理的堆石料归一化残余强度曲线可为考虑堆石料软化的有限元动力稳定计算提供参考;地震过程中,无论是坝坡的最小安全系数,还是滑裂面的滑移量,随着加速度峰值的增加,是否考虑软化的计算结果差别逐渐增大。考虑坝坡堆石体的软化,对高面板堆石坝极限抗震能力评价具有重要的意义。     

堆石料尺寸效应研究面临的问题及多尺度三轴试验平台

堆石料尺寸效应一直都是困扰工程设计和安全评价的一个难题。由于缺少较大尺寸的试验仪器和缺乏合理的尺寸效应评价体系,堆石料缩尺引起的强度和变形的变化规律还没有统一的认识,对缩尺引起的强度和变形差异的机理还不清楚。对相关研究涉及到的问题进行了分析、总结。笔者认为一套合理的堆石料尺寸效应评价体系,应该考虑试样边界约束尺寸效应、缩尺方法和标准及单粒细观特性尺寸效应等对宏观粒组变形特性的影响。为解决堆石料尺寸效应难题,大连理工大学近期完成了国内第一个超大三轴仪(试样直径800,1000 mm),连同早期开发和研制的系列三轴仪(试样直径100,200,300 mm)构成了多尺度三轴试验研究平台,为深入、系统地研究堆石料静动强度与变形的尺寸效应提供了技术支撑。     

堆石料的动力残余应变模型

基于国内多座土石坝筑坝材料的动力试验成果,研究了堆石料的动力残余变形特性。分析了沈珠江及其改进模型、朱晟模型和水科院模型的差异及存在的问题。在此基础上,建立了以围压和动应力为自变量,并考虑应力水平影响的堆石料残余应变模型。分析比较发现,提出的新模型能够较好地吻合试验结果。     

堆石料的湿化变形模型

堆石料的湿化变形严重影响心墙堆石坝初蓄水时的安全。通过分析堆石料单线法湿化试验数据发现,堆石料的湿化应力水平与湿化轴向应变成双曲线关系,但也有学者认为是指数函数关系,通过比较发现双曲线关系表述更佳。分析大量单线法试验数据发现,湿化过程中体积应变增量与轴向应变增量的比值保持不变。由此并根据非线性弹性理论,提出了一个堆石料的湿化本构模型,给出了湿化割线模量与湿化泊松比的表达式。与改进的沈珠江湿化模型比较,该湿化模型与试验数据拟合的更好。研究显示,采用传统Prandtl-Reuss流动法则计算得到的湿化应变在高湿化应力水平下偏小。     

堆石料流变的黏弹塑性本构模型研究

堆石坝流变变形主要是堆石料在环境因素作用下的劣化和高接触应力下的颗粒破碎重排引起的。在等向压缩方程中引入反映堆石料颗粒强度的固相硬度参数,选用双曲线型式的固相硬度衰减模型,以反映堆石料颗粒强度随时间劣化的特性;在分析堆石料流变试验结果的基础上,建立了流变变形的双曲线型流动准则;推导了流变变形的计算公式,并构建了流变模量表达式,从而建立了一个可统一考虑加载与流变过程的堆石料黏弹塑性本构模型。通过模拟两种典型堆石料的流变试验资料验证了模型的有效性。     

堆石料动力变形特性试验研究

采用大型静动力简单剪切仪,对某面板堆石坝灰岩堆石料进行了动剪切模量阻尼比试验和动残余变形试验。试验资料表明,堆石料的模量阻尼特性采用修正等价黏弹性模型描述可取得较好效果。考虑到在围压和动应力比较高时,残余应变与振次的关系和半对数规律偏差较大,采用幂函数描述残余应变的发展,建立了以平均主应力、固结应力比和动剪应变为自变量的残余变形计算模型。通过拟合不同堆石料的试验结果,表明该模型具有较好的适用性。     

孔隙率对堆石料强度与变形的影响规律

针对拟建某300m级高土石心墙堆石坝所用堆石料,开展了不同孔隙率的大型静力三轴试验,分析了孔隙率对堆石料的强度和变形的影响。试验结果表明:随着孔隙率的增加,堆石料的峰值强度会减小,体积变形逐渐增大,剪切至峰值点时的剪切位移增大,剪切至出现最大体积变形的剪切位移也会增加,随着围压的升高,颗粒出现一定量的破碎;在邓肯–张和南水模型中表现为参数K,dn值的减小和n,dc,dR值的增大等趋势。分析其原因主要是:随着孔隙率的增加,颗粒内部空隙增多,颗粒间间距增大,颗粒间的接触点减少,在相同围压及剪应力作用下,体积变形增大,最大减缩体应变对应的偏应力也会增加;孔隙率的增加,颗粒间的间距增大,颗粒间的咬合作用减弱,导致堆石料的初始切线模量减小,颗粒抵抗外力的作用减弱,颗粒间内摩擦角与抗剪强度的减小。此外,5P(27)的含量对堆石料的强度和变形作用较为明显,孔隙率相同的情况下,峰值强度、最大体积变量、剪切至峰值强度点对应的剪切位移以及最大体积应变对应的剪切位移均会随5P(27)含量的增加会而增大。孔隙率的变化对堆石料强度和变形影响非常明显,建议堆石坝施工现场碾压时严格控制压实度以满足设计要求,确保大坝安全。